Laboration nr 3 behandlar

Transkript

1 ( ) Laboration nr 3 behandlar Konstruktion och test av instruktioner (styrsignalsekvenser) för FLISP Följande uppgifter ur Arbetsbok för DigiFlisp ska vara utförda som förberedelse för laborationen. Du ska på begäran av laborationshandledare redogöra för dessa. Uppgifter Sign. Hemuppgifter, i detta PM, inför som ska vara utförda innan laborationen påbörjas. Hem- Uppgifter Följande laborationsuppgifter skall redovisas för en handledare för godkännande under laborationen. Laborationsuppgift Sign Inledning Denna laboration består av fyra deluppgifter. Under uppgifterna 3.1 och 3.2 har du möjlighet att bekanta dig med laborationssystemet och lära dig använda de grundläggande funktionerna för att därefter, under uppgifterna 3.3 och 3.4 självständigt implementera och testa två helt nya FLISP-instruktioner. Laborationssystemet består av två delar: Dataväg med FLISP styrenhet, "DV-modul" eller kortare "dataväg" (LU3-FLISP-DV) Kopplingsplatta för att bilda styrsignaler externt (LU3-FLISP-SE) Med DV-modulen kan du detaljstudera hur styrsignalsekvenser sätts samman i maskininstruktioner för FLISP. Kopplingsplattan ansluts till DV-modulen via en 64-polig flatkabel. Med kopplingsplattan, som innehåller ett antal AND/OR-nät, kan du bilda styrsignaler och på så sätt skapa godtyckliga styrsignalsekvenser, dvs. nya instruktioner för FLISP. Två nya FLISP-instruktioner ska konstrueras och testas. Det är helt nya instruktioner så dom finns inte i den ordinarie instruktionslistan: MOVE #Data,Adr "move immediate data to memory" CMBEQ #Data,Adr "compare register and data, branch if equal" För att klara av laborationen under utsatt tid krävs att du förberett dig genom att göra flera hemuppgifter. Observera att det är inte tillräckligt att bara göra uppgifterna från arbetsboken som anges ovan utan du måste också följa anvisningar om hemuppgifterna du får genom att studera detta PM. Hemuppgift 3.0 För att kunna testa dina styrsignalsekvenser med simulatorn använder du de enkla testprogram som ges senare i detta PM. Testprogrammen omfattar instruktioner ur FLISP:s instruktionsuppsättning, dessa är: INC Adr, BEQ, BRA, CLRA och INCA. Börja med att samla styrsignalsekvenser för dessa instruktioner i en konfigurationsfil: "lab_3-ins.hwflisp". Observera att förberedelseuppgifterna ovan är likartade, dock inte identiska, instruktioner nämligen DECA, DEC Adr och BNE. Dessutom behöver du ha styrsignalsekvensen för FLISP:s RESET- och FETCH-fas, tillsammans med instruktionen NOP för att testa nya instruktioner i simulatorn. Dessa samlas i filen "basic.hwflisp".

2 Beskrivning av laborationssystemet Följande bild visar LU3-FLISP-DV, eller kortare DV-modul (datavägsmodul): LU3-FLISP-DV, DV-modul DV-modulen har dessutom en inbyggd styrenhet för att kunna utföra samtliga FLISP:s instruktioner, 256 bytes primärminne och funktioner för att kunna övervaka och modifiera minnesinnehållet. De odefinierade operationskoderna E0 16 och FF 16 hanterar styrenheten helt enligt FLISP-specifikationen, dvs. med undantagshantering. De odefinierade operationskoderna 03 16, 04 16, DF 16 och EF 16 hanteras på följande sätt av laborationsenheten: Då någon av dessa operationskoder finns i instruktionsregistret: 1. aktiveras respektive signal I 03, I 04, I DF eller I EF till kopplingsplattan 2. alla interna styrsignaler till datavägen inaktiveras, styrsignalerna hämtas nu i stället från kopplingsplattan. Datavägen och kopplingsplattan kan därför användas för att skapa nya instruktioner för FLISP genom att styrsignalsekvenser bildas med hjälp av Q- och I-signaler som via AND/OR näten kopplas från kopplingsplattan till datavägen i form av styrsignaler. För ytterligare beskrivningar av datavägens indikatorer för register, styrsignaler och tillståndssignaler hänvisas till arbetsboken och annan dokumentation av FLISP. Laborationsenheten kan kontrolleras med ett antal strömställare: Control reset - DV-modulen försätts i återställningstillstånd Q 0 NF - DV-modulen försätts i FETCH-fas clk - en klockpuls ges till DV-modulen Memory address auto - innehållet i minnesenhetens adressindikator är det värde som kopplats till minnesenheten med styrsignaler g 12, g 13 och g 14 manual - minnesenhetens adressindikator sätts med hjälp av omkopplarna A7-A4, de fyra mest signifikanta adressbitarna och A3-A0, de fyra minst signifikanta adressbitarna. Memory data display - innehållet i minnesenhetens dataindikator ges av innehållet på adressen som finns i adressindikatorn modify - minnesenhetens dataindikator sätts med hjälp av omkopplarna D7-D4/D3-D0 set - om omkopplaren står i modify-läge förs innehållet i dataindikatorn in i DV-modulens minne på den adress som anges i adressindikatorn.

3 ( ) Följande bild visar LU3-FLISP-SE, eller kortare "kopplingsplattan": LU3-FLISP-SE, kopplingsplatta Kopplingsplattan har tre sektioner med ingångar, dvs. signaler som kommer från DV-modulen, dessa är: OP code, då någon av de odefinierade operationskoderna 03 16,04 16,DF 16 eller EF 16 finns i DV-modulens instruktionsregister aktiveras också motsvarande signal I 03, I 04, I DF eller I EF till kopplingsplattan. Det finns 16 stiftlist för varje signal. State, anger vilket exekveringstillstånd Q 4 -Q 15 som DV-modulen är i. Även här finns 16 stiftlist för varje signal. Flags, (N,Z,V,C) från DV-modulens CC-register. Dessa kan användas för att bilda enklare flaggvillkor. Varje signal kan tas ut från någon av de fyra stiften på den intilliggande stiftlisten. Insignalerna kopplas med hjälp av 24, av varandra, oberoende AND/OR-grindnät för att bilda styrsignaler för DV-modulen. Ingångarna på AND-grindarna har en så kallad weak pull-down, så logiknivån på en inte ansluten ingång är noll. Varje utgång kan kopplas till maximalt tre olika styrsignaler om så skulle krävas. Styrsignalerna kopplas tillbaks till DV-modulen via sektionen "Control signals" som också har ljusdiodindikatorer för att indikera styrsignalernas nivå.

4 Laborationsuppgift 3.1 I denna uppgift ska du manuellt lägga in en instruktionssekvens och resetvektor i DV-modulens minne och därefter kontrollera sekvensens funktion genom att utföra programmet cykelvis (klockcykel för klockcykel). Hemuppgift 3.1 Disassemblera, dvs. tolka minnesinnehållet och använd FLISP:s instruktionslista för att komplettera tabellen med mnemonics. Ange också instruktionens sista tillstånd i exekveringsfasen. Adress Maskinkod Assemblerkod Instruktionens NF-tillstånd 20 F0 21 7E FF 20 På laborationsplatsen: Så här skriver du in data manuellt till FLISP:s primärminne: Ställ Memory address omkopplare i läge manual, och ställ in adressen 20 med omkopplarna A7-A4/A3-A0. Sätt Memory data omkopplaren i läge modify och ställ in data F0 med omkopplarna D7-D4/D3-D0. Tryck på set-omkopplaren för att skriva in värdet F0 på adress 20 i minnet. Upprepa förfarandet för varje adress tills hela instruktionssekvensen och RESET-vektorn lagts in i minnet. Du kontrollerar instruktionssekvensen på följande sätt: Ställ Memory address omkopplaren i läge auto, Memory data omkopplaren i läge display. Kontrollera att DV-modulen är i tillstånd Q 0, tryck reset annars. Utför instruktionssekvensen cykelvis genom att ge klocksignaler, dvs. tryck in clk-omkopplaren.

5 ( ) Laborationsuppgift 3.2 I denna uppgift får du goda tips om hur du testar ett program i DV-modulen. Utför programmet instruktionsvis ("stega" igenom programmet) Utför program utan uppehåll (exekvera programmet) Hemuppgift 3.2 Använd FLISP:s instruktionslista och komplettera följande tabell genom att översätta sekvensen av mnemonics till maskinkod, dvs. assemblera programmet. Adress Maskinkod Assemblerkod 20 L1: LDA # STA L2 INC BEQ L BRA L2 29 FF 20 Vid laborationsplatsen: Skriv manuellt in maskinprogrammet i DV-modulens minne på samma sätt som i föregående laborationsuppgift. Programmet ETERM för FLISP har en inbyggd terminalfunktion som kan användas för att kommunicera med DV-modulen via en USB-anslutning. Starta ETERM för FLISP och välj Debug Terminal och sedan den COM-port som anvisats av laborationshandledare. Ett terminalfönster (blå färg) öppnas nu. Ställ DV-modulens Memory address omkopplare i läge manual, och ställ in adressen 10 med omkopplarna A7- A4/A3-A0. Genom att observera innehållet på denna adress kan du senare se att INC-instruktionen i programmet utförs korrekt. Gör reset på DV-modulen. Placera markören i terminalfönstret och ge kommando 's' (step instruction) från tangentbordet. För varje gång du ger detta kommando utförs en hel instruktion, på detta sätt blir det enklare att följa programutförande genom instruktioner som är kända att fungera korrekt. Stega instruktionsvis några varv i programslingan, observera innehållet på adress Kontrollera att markören är placerad i terminalfönstret och ge kommando 'e' (execute). Programmet utförs nu utan att stanna. Studera speciellt innehållet på adress i minnet.

6 Laborationsuppgift 3.3 Data kan kopieras i minnet med en MOVE-instruktion utan användning av de ordinarie "synliga" registren hos FLISP, dvs. utan att förändra innehållet i något av A,X,Y, SP eller CC. Fördelarna med detta är att datakopiering går snabbare, framför allt då de synliga registren är upptagna för annat, eftersom man slipper spara/återställa register med hjälp av stacken. Samtidigt kan hela instruktionen kodas med endast tre bytes. Exempelvis kan instruktionssekvensen PSHA LDA #FE 16 STA PULA ersättas av instruktionen MOVE #FE 16,10 16 Under denna uppgift ska du konstruera och testa instruktionen. Din styrsignalsekvens och ett tillhörande testprogram (visas nedan) ska fungera såväl i simulator som med laborationsutrustningen. MOVE-instruktionen specificeras enligt följande: MOVE #Data,Adr RTN Data M(Adr) Flaggor Påverkas ej. Beskrivning Initierar en minnescell med en konstant. Detaljer: Instruktion Adressering Operation Flaggor MOVE metod OP # ~ N Z V C MOVE #Data,Adr Imm/ Absolute DF 3 Data M(Adr) Instruktionsformat: DF Adr Data Hemuppgift 3.3 Du har sedan tidigare konfigurationsfilerna "basic.hwflisp" och "lab_3-ins.hwflisp" med instruktionerna INC Adr, BEQ och BRA som ingår i testprogrammet för den nya instruktionen. Skapa en ny konfigurationsfil lab_3-3-ins.hwflisp för MOVE- instruktionen. Konstruera instruktionen och fyll i instruktionens styrsignalsekvens i den avsedda tabellen nedan, för in direktiven i konfigurationsfilen. Observera att tabellens delvis ifyllda raderna endast är avsedda att underlätta arbetet. Dra inga slutsatser om antalet styrsignaler som krävs från detta. Skapa ytterligare en konfigurationsfil "lab_3-3-test.hwflisp" med ett testprogram enligt följande: lab_3-3-test.hwflisp # ClearAllMemory # ClearAllRegisters # load "basic.hwflisp" # load "lab_3-ins.hwflisp" # load "lab_3-3-ins.hwflisp"... Här följer maskinkoden för testprogrammet, se nedan.

7 ( ) Assemblera ett testprogram enligt följande (komplettera med saknad maskinkod), för också in maskinkoden som "setmemory"-direktiv i konfigurationsfilen med testprogrammet. Adress Maskinkod Assemblerkod Direktiv för att initiera minne 20 DF L1 MOVE #FE 16,10 16 #setmemory 20=DF #setmemory 21=10 22 FE #setmemory 22=FE 23 L2 INC #setmemory 24 #setmemory 25 BEQ L1 #setmemory 26 #setmemory 27 BRA L2 #setmemory 28 #setmemory 29 FF 20 #setmemory FF=20 Kontrollera MOVE-instruktionens funktion med hjälp av simulatorn. Rätta eventuella fel. Vid laborationsplatsen Du ska nu verifiera att din MOVE-instruktion fungerar även i hårdvara. Koppla upp MOVE-instruktionens styrsignaler på kopplingsplattan. Tänk speciellt igenom hur många (eller få) kopplingskablar som behövs. Varje OR-grind har här tre utgångar för att kunna driva tre styrsignaler samtidigt. Gör reset på DV-modulen. Utför nu instruktionssekvensen cykelvis genom att ge klocksignaler, tills du ser operationskoden DF 16 i instruktionsregistret. Kontrollera nu, för varje cykel i exekveringsfasen dvs. Q 4 och uppåt, att styrsignalerna aktiveras korrekt. Då hela instruktionen utförts, ska värdet finnas på adress i minnet. Då MOVE-instruktionen fungerar som den ska, tillkallar du en handledare och redovisar laborationsuppgiften. Därefter kopplar du ner denna instruktion och fortsätter med nästa uppgift.

8 Styrsignalsekvens, hemuppgift 3.3 MOVE #Data,Adr Tillstånd Summaterm RTNbeskrivning Styrsignaler =1 Direktiv i konfigurationsfil

9 ( ) Laborationsuppgift 3.4 Denna uppgift ger exempel på en mer komplex och instruktion än den föregående. Jämförelse, test och villkorlig flödesändring kan utföras med en enda instruktion: CMJEQ #data,adress Samma funktion fås med instruktionsföljden CMPA #data BEQ adress I vår nya instruktion anger vi destinationsadressen som en absolut adress vilket förenklar implementeringen av styrsignalsekvensen något. Instruktionen specificeras av följande: CMJEQ Compare register A with data, branch if equal RTN A Data, If Z = 1: Adr PC Flaggor N: Får värdet hos skillnadens teckenbit (bit 7). Z: Ettställs om skillnaden blir noll. V: Ettställs om 2-komplementoverflow uppstår vid subtraktionen C: Ettställs om borrow uppstår vid subtraktionen. Beskrivning Data subtraheras från innehållet i register A. Skillnaden lagras ej, utan påverkar endast flaggorna. Därefter testas Z-flaggans värde. Om Z=1 utförs ett hopp till adressen Adr. Om Z=0 utförs inget hopp. Nästa instruktion blir i så fall den direkt efter CMJEQ-instruktionen i minnet. Detaljer: Instruktion Adressering Operation Flaggor CMJEQ Variant metod OP # ~ N Z V C CMJEQ #Data,Adr Immediate/Absolute EF 3 A Data, Δ Δ Δ Δ If (Z = 1) Adr PC Instruktionsformat: DF Adr Data Du får konstruera styrsignalsekvensen som du vill, det finns inga "prestandakrav", du kan exempelvis använda följande tips: Utgå från BEQ- och CMPA- instruktionerna, observera dock att Adr här är kodad som absolut adress. 1. Läs in Adr, dvs. destinationsadress för uppfyllt villkor, placera i register R 2. Läs in Data till register T, gör jämförelsen med register A och ladda CC-registret med flaggor från ALU:n 3. Villkorlig överföring av adressen i R till PC (jfr BEQ), därefter avslutas styrsignalsekvensen. Tips vid laborationsplatsen: För att skapa villkor för programflöde krävs här en AND-grind med tre ingångar, men någon sådan finns inte på laborationsplatsen, du kan i stället använda två AND/OR-nät enligt följande: Q I & 1 flagga & 1 styrsignal

10 Hemuppgift 3.4 Skapa en konfigurationsfil lab_3-4-ins.hwflisp och konstruera den nya instruktionen. Fyll i instruktionens styrsignalsekvens i den avsedda tabellen nedan För att testa instruktionen skapar du ytterligare en konfigurationsfil "lab_3-4-test.hwflisp" med ett testprogram enligt följande: lab_3-4-test.hwflisp # ClearAllMemory # ClearAllRegisters # load "basic.hwflisp" # load "lab_3-ins.hwflisp" # load "lab_3-4-ins.hwflisp"... Här följer maskinkoden för testprogrammet, se nedan. Assemblera ett testprogram enligt följande (komplettera med den saknade maskinkoden), för också in maskinkoden som "setmemory"-direktiv i konfigurationsfilen med testprogrammet. Adress Maskinkod Assemblerkod Direktiv för att initiera minne 20 L1 CLRA #setmemory 20= 21 L2 INCA #setmemory 21= 22 CMJEQ #2,L1 #setmemory 22= 23 #setmemory 23= 24 #setmemory 24= 25 BRA L2 #setmemory 25= 26 #setmemory 26= 27 FF #setmemory FF= Kontrollera CMJEQ -instruktionens funktion med hjälp av simulatorn. Rätta eventuella fel. Vid laborationsplatsen Verifiera att din CMJEQ -instruktion fungerar även i hårdvara: Koppla upp CMJEQ -instruktionens styrsignaler på kopplingsplattan. Gör reset på DV-modulen. Utför nu instruktionssekvensen cykelvis genom att ge klocksignaler, tills du ser operationskoden EF 16 i instruktionsregistret. Kontrollera nu, för varje cykel i exekveringsfasen dvs. Q 4 och uppåt, att styrsignalerna aktiveras korrekt. Utför programmet tills värdet i register A är 2 och kontrollera att hoppet då blir till adress Då CMJEQ -instruktionen fungerar som den ska, tillkallar du en handledare och redovisar laborationsuppgiften. Därefter kopplar du ner och snyggar till din laborationsplats, laborationen är klar.

11 ( ) Styrsignalsekvens, hemuppgift 3.4 CMJEQ #Data,Adr Tillstånd Summaterm RTNbeskrivning Styrsignaler =1 Direktiv i konfigurationsfil

12 Tillägg till PM laboration 3: Du kan ge kommandon till DV-modulen genom att klicka på terminalfönstret och skriva in något av följande Kommando Betydelse s e Utför hel instruktion (till nästa NF) Utför program utan uppehåll, exekvera, avbryt exekvering genom att ge ytterligare ett e -kommando. wrzxx wmxxyy Skriv värdet XX till register Z. Värdet XX anges på hexadecimal form med precis två siffror. Registret, Z, kan vara något av datavägens register enligt: a,t,x,y,s=sp,p=pc,u=ta,r,c=cc. Skriv värdet XX till minnesadress YY. Såväl värdet XX som adressen YY anges på hexadecimal form med precis två siffror.

13